光的速度是多少？

在外太空的某个地方，距离地球数十亿光年，与宇宙大爆炸相关的原始光线在它继续向外移动时开辟了新的天地。与此形成鲜明对比的是，来自地球的另一种形式的电磁辐射，来自露西秀的就职现场剧集的无线电波正在深空广播某个地方，尽管振幅大大减小。

这两个事件背后的基本概念涉及光速（以及所有其他形式的电磁辐射），科学家已经对此进行了*检查，现在表示为由方程式c表示的常数值。不是真正的恒定，而是真空中的大速度，光速（几乎每秒300,000公里）可以通过改变介质或量子干涉来控制。

以均匀物质或介质传播的光以相对恒定的速度沿直线传播，除非它以某种其他方式被折射，反射，衍射或扰动。这个成熟的科学事实不是原子时代甚至是文艺复兴时期的产物，而是初由古希腊学者欧几里德（Euclid）在他的标志性论文Optica中大约公元前350年左右推广的。然而，光的强度（和其他电磁辐射）与行进距离的平方成反比。因此，在光行进两次给定距离后，强度下降四倍。

当通过空气传播的光进入不同的介质（如玻璃或水）时，光的速度和波长会减少（见图2），尽管频率保持不变。光在真空中以大约300,000千米/秒的速度传播，其折射率为1.0，但在水中减速至225,000千米/秒（折射率为1.3;见图2），在玻璃中减速为200,000千米/秒（折射率）指数为1.5）。在具有2.4的相当高的折射率的钻石中，光的速度减小到相对爬行（每秒125,000千米），比真空中的大速度小约60％。

由于光在星系间（见图1）和银河系内的外太空中传播的巨大旅程，恒星之间的广阔距离不是以千米为单位，而是以光年为单位，即光线在一年内的距离。光年等于9.5万亿公里或约5.9万亿英里。从地球到我们太阳以下近的恒星Proxima Centauri的距离约为4.24光年。相比之下，银河系的直径估计约为150,000光年，与仙女座星系的距离约为221万光年。这意味着221万年前离开仙女座星系的光刚刚到达地球，除非它是通过反射天体或折射碎片来镶嵌的。

当天文学家凝视夜空时，他们正在观察实时，近期和古代历史的混合物。例如，在开拓巴比伦人，阿拉伯占星家和希腊天文学家描述恒星星座的时期，Scorpius（天蝎座）对占星家来说仍然有蝎子的鞭尾声。这个星座中的尾星和其他星星在公元前500到1000年之间的天空中出现了新星，但今天的观星者已经不再可见了。尽管在地球的夜空中观测到的一些恒星早已消失，但携带其图像的光波仍然可以到达人眼和望远镜。实际上，由于时间不足，它们的破坏（以及它们缺失的黑暗）的光还没有越过深空的巨大距离。

生活在公元前450年左右的阿克拉加斯的恩培多克斯（Empedocles of Acragas）是早记录的哲学家之一，他们推测光以有限的速度传播。差不多一千年后，公元525年左右，罗马学者和数学家Anicius Boethius试图记录光速，但在被指控叛国和巫术之后，他的科学努力被斩首。由于中国人早将黑色粉末用于*和信号，人们对光的速度感到疑惑。随着爆炸声之前的闪光和颜色几秒钟，它不需要认真的计算就能意识到光速明显超过声速。

背后的中国秘密在十三世纪中叶进入了西方，随之而来的是关于光速的问题。在此期间之前，其他调查人员必须考虑闪电之后的闪电，这是典型的雷暴，但没有提供关于延迟性质的合理的科学解释。阿拉伯学者Alhazen是位提出（约公元1000年左右）光速有限的光学科学家，到公元1250年，英国光学Roger Bacon写道，光速是有限的，虽然非常迅速。尽管如此，大多数科学家在此期间广泛持有的观点是，光速是无限的，无法测量。

1572年，着名的丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）是个描述超新星的人，它发生在仙后座（Cassiopeia）。看完一个“新星"后突然出现在天空中，亮度逐渐加剧，然后在18个月的时间内逐渐消失，天文学家神秘莫测，但很感兴趣。这些新奇的天体视觉驱使布拉赫和他的同时代人质疑广泛持有的一个拥有无限光速的完美和不变的宇宙的概念。尽管一些科学家开始质疑十六世纪的光速，但是光有无限速度的信念很难取代。直到1604年，德国物理学家约翰内斯·开普勒推测光速是瞬间的。他在他发表的笔记中补充说，太空的真空并没有减缓光线的速度，阻碍了有限的程度，

在发明之后不久，对望远镜的一些相对粗略的改进，丹麦天文学家Ole Roemer（1676年）是个严格尝试估算光速的科学家。通过研究木星的月亮Io及其频繁的日食，Roemer能够预测月亮日食的周期性（图3）。然而，几个月之后，他注意到他的预测会逐渐变得越来越不准确，因为时间间隔越来越长，大误差达到约22分钟（相当大的差异，考虑到光在该时间跨度内行进的距离）。然后，同样奇怪的是，他的预测在几个月后再次变得更加准确，循环重演。在巴黎天文台工作，罗默很快意识到，由于行星的轨道路径，观测到的差异是由地球和木星之间距离的变化引起的。当木星离开地球时，光线的行进距离更长，需要更多的时间才能到达地球。对于在此期间可用的地球和木星之间的距离进行相对不准确的计算，Roemer能够估计每秒约137,000英里（或220,000公里）的光速。图3示出了Roemer对原始图纸的再现，描绘了用于确定光速的方法。对于在此期间可用的地球和木星之间的距离进行相对不准确的计算，Roemer能够估计每秒约137,000英里（或220,000公里）的光速。图3示出了Roemer对原始图纸的再现，描绘了用于确定光速的方法。对于在此期间可用的地球和木星之间的距离进行相对不准确的计算，Roemer能够估计每秒约137,000英里（或220,000公里）的光速。图3示出了Roemer对原始图纸的再现，描绘了用于确定光速的方法。

罗默的工作激起了科学界的兴趣，许多研究人员开始重新考虑他们关于无限光速的猜测。例如艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton）在他的具有里程碑意义的1687年论文中撰写了Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica（自然哲学的数学原理），“现在可以肯定木星的卫星现象，通过不同天文学家的观察证实，光线是连续传播的，需要大约七八分钟才能从太阳传播到地球“，这实际上是对正确光速的非常接近的估计。牛顿的受人尊敬的意见和广泛的声誉有助于启动科学革命，并帮助科学家开展新的研究，他们现在认可光的速度是有限的。

英国物理学家詹姆斯布拉德利（James Bradley）提出了一个有用的光速估计。在牛顿去世一年后的1728年，布拉德利利用恒星畸变估计真空中的光速大约为每秒301,000公里。这些现象表现为由于地球绕太阳运动而导致恒星位置的明显变化。恒星像差的程度可以从地球轨道速度与光速之比来确定。通过测量恒星像差角并将该数据应用于地球的轨道速度，布拉德利能够得出非常准确的估计值。

1834年，万花筒的发明者和声音科学的查尔斯惠斯通爵士试图测量电力的速度。惠斯通发明了一种利用旋转镜和通过Leyden罐进行电容放电的装置，通过近8英里的电线产生和计时火花的运动。不幸的是，他的计算（也许是他的仪器）误差达到了这样的程度，以至于惠斯通估计每秒288,000英里的电流速度，这个错误使他相信电力比光速更快。惠斯通的研究后来被法国科学家多米尼克·弗朗索瓦·让·阿拉戈所拓展。虽然他在1850年视力失败之前未能完成他的工作，但阿拉戈正确地假设光在水中的传播比空气慢。

与此同时，在法国，竞争对手科学家Armａnd Fizeau和Jean-Bernard-Leon Foucault通过利用Arago的发现并扩展惠斯通的旋转镜仪器设计，独立地试图测量光速，而不依赖于天体事件。1849年，斐索设计了一种装置，通过齿轮（而不是旋转镜）闪光光束，然后到距离5.5英里的固定镜子上。通过快速旋转车轮，他能够通过向外行程中的两个齿之间的间隙引导光束，并在返回的路上捕获相邻间隙中的反射光线。凭借轮速和脉冲光传播的距离，斐索能够计算出光速。

福柯使用由压缩空气涡轮机驱动的快速旋转镜来测量光速。在他的设备中（见图4），一束窄光通过一个孔然后穿过玻璃窗（也作为分束器），具有精细刻度的刻度，然后撞击快速旋转的镜子。从旋转镜反射的光被引导通过一组Z字形图案的静止镜，设计成将仪器的路径长度增加到大约20米而没有相应的尺寸增加。在光线通过一系列镜子反射并返回旋转镜子所花费的时间内，镜子位置发生了轻微的变化。后来，从旋转镜的移位位置反射的光沿着新的路径返回到源并进入安装在仪器上的显微镜。通过显微镜可以看到微小的光线偏移并进行记录。通过分析从他的实验中收集的数据，福柯能够计算出光速为每秒298,000公里（大约每秒185,000英里）。

Foucault设备中的光路足够短，可用于通过除空气以外的介质测量光速。他发现水或玻璃中的光速仅为空气中光速的三分之二左右，他还得出结论，通过给定介质的光速与折射率成反比。这一显着的结果与数百年前光传播波理论开发的光行为预测一致。

在福柯的带领下，一位名叫阿尔伯特·迈克尔逊的波兰出生的美国物理学家试图提高该方法的准确性，并在1878年成功地测量了光速，沿着堤岸的2000英尺长的墙壁上装置了更复杂的装置。英格兰的塞文河。迈克尔逊投资高质量镜头和镜子，以便在比福柯使用的更长的路径上聚焦和反射光束，迈克尔逊计算出终结果为每秒186,355英里（299,909千米/秒），从而可能出现错误。每秒约30英里。由于他的实验设计越来越复杂，迈克尔逊测量的准确度超过了福柯的20倍。

在19世纪后期，大多数科学家仍然认为光利用称为以太的载体介质在太空中传播。迈克尔逊于1887年与科学家爱德华莫利合作，设计了一种实验方法，通过观察地球完成绕太阳轨道运行时光速的相对变化来检测以太。为了实现这一目标，他们设计了一种干涉仪，它可以分离一束光，并使用复杂的镜子阵列将各个光束重新引导通过两条长度超过10米的不同通道。迈克尔逊和莫利认为，如果地球穿过以太介质，那么垂直于以太流动来回反射的光束必须比平行于以太的光束传播得更远。结果将是当光束通过干涉重新组合时可以检测到的一个光束的延迟。

由迈克尔逊和莫利建造的实验仪器非常庞大（见图5）。该仪器安装在一块超过五英尺见方，厚度为14英寸的缓慢旋转的石板上，进一步受到底层水银池的保护，该水池充当无摩擦减震器，可以消除地球的振动。一旦平板开始运动，达到每小时10转的速度，需要几个小时才能再次停止。光线通过分束器，并由镜子系统反射，用显微镜检查干涉条纹，但没有观察到任何。然而，迈克尔逊利用他的干涉仪准确地确定了每秒186,320英里（299,853千米/秒）的光速，这个值是未来25年的标准。

1905年，爱因斯坦发表了他的狭义相对论，随后是1915年的广义相对论。个理论涉及物体相对于彼此以恒定速度运动，而第二个理论则关注加速度及其与重力的联系。因为他们挑战了许多长期存在的假设，例如艾萨克·牛顿的运动定律，爱因斯坦的理论是物理学的革命力量。相对论的概念体现了一个概念，即物体的速度只能相对于观察者的位置来确定。例如，在飞机内行走的人似乎在飞机的参考系中以每小时约1英里的速度行进（其本身以每小时600英里的速度移动）。然而，对于地面观察者来说，这名男子似乎正以每小时601英里的速度行进。

爱因斯坦在他的计算中假设两个参考点之间的光速在两个位置对观察者保持不变。因为一帧中的观察者使用光来确定另一帧中物体的位置和速度，这改变了观察者可以将物体的位置和速度联系起来的方式。爱因斯坦利用这个概念推导出几个重要的公式，描述了一个参照系中的物体在从另一个参考框架中看到的物体相对于个物体的运动时是如何出现的。他的结果导致了一些不寻常的结论，尽管当物体的相对速度接近光速时效果才会变得明显。总之，爱因斯坦的基本理论及其经常引用的相对论方程的主要含义是：

可归纳如下：

• 相对于观察者，物体的长度随着物体的速度增加而减小。

• 当参照系移动时，时间间隔变短。换句话说，以光速或接近光速移动的太空旅行者可以离开地球多年，并且经历了仅几个月的时间流逝。

• 移动物体的质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量接近无穷大。由于这个原因，人们普遍认为，不可能比光速更快地行进，因为需要无*的能量来加速无限质量。

虽然爱因斯坦的理论影响了整个物理世界，但它对那些研究光的科学家具有特别重要的意义。该理论解释了为什么迈克尔逊 - 莫雷实验未能产生预期结果，阻碍了对作为载体介质的性质的进一步认真科学研究。它还表明，没有什么能比真空中的光速更快地移动，并且这个速度是一个恒定且不变的价值。与此同时，实验科学家继续应用越来越复杂的仪器来确定正确的光速值，并减少测量误差。

测量光速

表格1

在十九世纪晚期，无线电和微波技术的进步提供了测量光速的新方法。1888年，在Roemer开拓天体观测的200多年后，德国物理学家Heinrich Rudolf Hertz测量了无线电波的速度。赫兹达到了接近每秒300,000公里的价值，证实了詹姆斯克拉克斯麦克斯韦的理论，即无线电波和光都是电磁辐射的形式。在20世纪40年代和50年代收集了额外的证据，当时英国物理学家Keith Davy Froome和Louis Essen分别使用无线电和微波来更精确地测量电磁辐射的速度。

麦克斯韦还被认为可以定义光速和其他形式的电磁辐射，而不是通过测量，而是通过数学推导。在他的研究试图找到电和磁之间的联系时，麦克斯韦认为变化的电场会产生磁场，这是法拉第定律的反向推论。他提出电磁波由组合的振荡电磁波组成，并通过空间计算这些波的速度：

其中ε是介电常数，μ是自由空间的磁导率，两个常数可以相对较高的精度测量。结果是一个非常接近测量光速的值。

1891年，迈克尔森继续研究光速和天文学的研究，利用加利福尼亚州利克天文台的折射望远镜创建了一个大型干涉仪。他的观察是基于观察远处物体（如恒星）时光线到达时间的延迟，可以对其进行定量分析，以测量天体的大小和光速。差不多30年后，迈克尔逊将他的实验转移到威尔逊山天文台，并将相同的技术应用于当时世界上大的100英寸望远镜。

通过在他的实验设计中加入八角形旋转镜，迈克尔逊以每秒299,845千米的速度达到了光速。虽然迈克尔逊在完成实验之前去世了，但他在威尔逊山的同事弗朗西斯·G·皮斯继续采用创新技术对20世纪30年代进行研究。使用改进的干涉仪，Pease在几年内进行了大量测量，终确定光速的正确值为299,774千米/秒，是迄今为止的测量值。几年后，在1941年，科学界设定了光速的标准。这个值为299,773千米/秒，是根据准确的时期测量结果编制而成的。

到20世纪60年代后期，激光器成为具有高度定义的频率和波长的稳定研究工具。显而易见的是，频率和波长的同时测量将产生非常准确的光速值，类似于Keith Davy Froome在1958年使用微波进行的实验方法。美国和其他地区的几个研究小组各国用稳定的氦氖激光器测量了633纳米线的频率，并获得了高度准确的结果。1972年，美国国家标准与技术研究所采用激光技术测量速度为299,792,458米/秒（186,282英里/秒），终通过高度准确的光速估算重新定义了仪表。

从Roemer的1676年突破性努力开始，100多名研究人员利用各种不同的技术测量了光速至少163次（参见表1汇总方法，研究者和日期）。随着科学方法和装置的完善，估算的误差极限缩小了，尽管自罗默的17世纪计算以来，光速并未发生显着变化。终于在1983年，在次重大测量尝试后300多年，第十七届度量衡大会将光速定义为每秒299,792.458公里。因此，仪表被定义为光在1 / 299,792,458秒的时间间隔内行进的距离。但是，一般来说，（即使在许多科学计算中）光速也会缩小到每秒300,000公里（或186,000英里）。达到光速的标准值对于建立一个单位系统非常重要，这个单位系统将使世界各地的科学家能够比较他们的数据和计算。

正如一些调查人员所建议的那样，对于是否存在大爆炸时间以来光速一直在减速的证据存在轻微的争议。大爆炸时它的速度可能明显加快。虽然提出和反驳的论点使这场辩论化，但大多数科学家仍然认为光速是恒定的。物理学家指出，Roemer和他的追随者测量的实际光速没有显着变化，而是指向科学仪器的一系列改进，这些改进与用于确定光速的测量精度的增加有关。今天，木星和地球之间的距离具有高度的准确性，太阳系的直径和行星的轨道轨迹也是如此。